焦耳和焦耳定理簡介
焦耳介紹
日本化學(xué)家焦耳做了很多實驗。 1840年，他首先準(zhǔn)確地確定了電壓產(chǎn)生的熱量與電壓、電阻和通電時間之間的關(guān)系。 電阻值與通電時間成反比。 這個定律叫做焦耳定律
在化學(xué)實驗中，我們除了要學(xué)會操作，還要學(xué)會實驗前的設(shè)計實驗和實驗后的交流評價這兩個環(huán)節(jié)。 接下來，通過對實驗中的一些問題的講解，感受和理解如何設(shè)計實驗并進行交流和評價。
1、焦耳定理實驗的探索方法是控制變量法。
要設(shè)計實驗，需要知道如何處理化學(xué)問題。 焦耳定理實驗采用的方法是控制變量法。
控制變量方法有哪些？
對于化學(xué)中多原因（多變量）的問題，常采用控制原因（變量）的方法，將多原因問題轉(zhuǎn)化為多個單原因問題。 每次只改變其中一個誘因，而其余幾個誘因保持不變，所以研究改變的誘因?qū)κ挛锏挠绊懀謩e研究，最后綜合解決。 這些方法稱為控制變量法。 它是科學(xué)探究的重要思維方式，廣泛應(yīng)用于各種科學(xué)探索和科學(xué)實驗研究中。
在焦耳定理實驗中，要探究的是電壓通過導(dǎo)體所產(chǎn)生的熱量與電壓、電阻和通電時間之間的關(guān)系。 我們在研究發(fā)熱與內(nèi)阻的關(guān)系時，需要控制電壓和通電時間恒定。 實驗過程中，通過改變電阻值的大小，觀察和分析熱量如何變化，從而找出熱量與內(nèi)阻之間的關(guān)系。
探究電熱與內(nèi)阻關(guān)系的實驗裝置
如圖所示，兩個透明容器內(nèi)密封著等量的空氣，U型管內(nèi)液面的變化反映了密封空氣濕度的變化。 兩個密閉容器里都有一段內(nèi)阻絲，右邊容器里的內(nèi)阻比學(xué)校的大。 兩個容器內(nèi)的電阻絲串聯(lián)在電源的兩端，通過兩根電阻絲的電壓相同。 通電一定時間后，比較會示教兩個U型管內(nèi)液位的變化。
在圖中所示的裝置中，控制電壓和通電時間，僅改變內(nèi)阻。 從實驗裝置可以看出，這是一個探索電壓通過導(dǎo)體所產(chǎn)生的熱量與內(nèi)阻之間關(guān)系的實驗裝置。
考你，從下圖可以看出，它研究的是熱量和那個誘因的關(guān)系？ 什么觸發(fā)器在控制時是恒定的？
探索電熱與電壓關(guān)系的實驗裝置
在中學(xué)數(shù)學(xué)實驗探索中，很多實驗都采用了控制變量法。 如：探究聲音響度與頻率的關(guān)系； 探索聲音的音高和振幅之間的關(guān)系； 探究動能與什么誘因的關(guān)系等等。
2.在焦耳定理的實驗中，也用到了換算法
在焦耳定理的實驗中，使用了另一種研究化學(xué)問題的方法——換算法。 這些都是在設(shè)計實驗之前應(yīng)該知道的事情。
所謂“轉(zhuǎn)化法”，主要是指在保證療效相同的前提下，將看不見、難看的現(xiàn)象，轉(zhuǎn)化為看得見、看得見的現(xiàn)象； 將不熟悉的復(fù)雜問題轉(zhuǎn)化為熟悉的簡單問題； 將檢測或測量的化學(xué)量轉(zhuǎn)換為可檢測或測量的化學(xué)量的方法。 中學(xué)數(shù)學(xué)在概念規(guī)律和實驗的研究中，很多地方都應(yīng)用了這些技巧。
在焦耳定理的實驗中，電壓通過導(dǎo)體所產(chǎn)生的熱量是看不見摸不著的，難以察覺的。 那么如何比較5歐姆的內(nèi)阻和10歐姆的電阻，哪個放出的熱量更多呢？ 在實驗中，電流通過內(nèi)電阻絲釋放的熱量會使空氣受熱膨脹。 放出的熱量越多，空氣就會越膨脹，U型玻璃管內(nèi)的火柱就會下降得越多。
本實驗通過比較U型玻璃管內(nèi)的海平面高度，間接比較內(nèi)阻絲的發(fā)熱量。 這就是轉(zhuǎn)換方法的應(yīng)用。
在中學(xué)化學(xué)實驗中，使用換算法的實驗包括探索聲音形成的原因、探索液體浮力的特性、探索壓力的影響等。
3、在焦耳定理的實驗中，空氣可以用煤油、水、石頭等物質(zhì)代替嗎？
在之前的教材中，這個實驗也是用煤油做的。如圖
探索焦耳定理
如果用煤油、水或石頭代替空氣，則實驗結(jié)果不顯著，療效也不會很好。
原因如下，與空氣相比，內(nèi)電阻絲加熱煤油時，煤油需要吸收更多的熱量，溫度會升高，本實驗所需的時間也會更長。
由于水的比熱容比煤油大，同樣質(zhì)量的水和煤油吸收同樣的熱量后，水的溫度下降較少，所以實驗效果不如煤油。
與煤油和水相比，鵝卵石的比熱容較小，受熱后溫度會迅速下降。 而且，用內(nèi)電阻絲加熱石子時，石子受熱不均勻，需要不斷攪拌。 這樣的操作，在實驗過程中也是很不方便的。
所以空氣是最好的實驗材料。
類似的問題在課堂的交流和評價環(huán)節(jié)中也會經(jīng)常被中學(xué)生問到，他們往往會這樣分析實驗裝置的合理性，也會分析實驗過程中不成功的地方。 這樣的交流可以培養(yǎng)中學(xué)生設(shè)計實驗的能力和思維能力，避免死記硬背實驗。
4、這個實驗中，U型玻璃管可以用溫度計代替嗎？
中學(xué)生經(jīng)常問這個問題，認為應(yīng)該用溫度計來比較體溫的高低。
答案是：不可替代。
空氣裝在一個密閉的容器中，插入溫度計時，濕度計的玻璃球也需要密封在容器中。 這樣，在內(nèi)阻加熱過程中，容器內(nèi)的空氣受熱膨脹，熱空氣會把密閉容器炸裂，導(dǎo)致實驗失敗。
如果插入濕度計，而濕度計的玻璃泡沒有密封，空氣受熱會膨脹，向容器外移動，但熱量會被帶走焦耳定律實驗器材，所以不容易比較熱量的多少由內(nèi)阻絲產(chǎn)生。
雖然沒有上面提到的原因，但用溫度計代替U型玻璃管是不可取的。 由于內(nèi)阻絲加熱容器內(nèi)的空氣，空氣濕度的變化不足以使溫度計的讀數(shù)迅速上升，觀察到的療效并不顯著。
溫度計在日常生活中經(jīng)常用到，如圖
實驗室溫度計
5、在這個實驗中，并聯(lián)一個5歐姆的電阻有什么作用？
如圖所示焦耳定律實驗器材，兩個密閉容器內(nèi)的電阻是一樣的。 在其中一個容器的外部，內(nèi)阻與該容器內(nèi)的內(nèi)阻并聯(lián)。 它的作用是改變通過右容器內(nèi)電阻的電壓。 .
簡而言之，并聯(lián)一個5歐姆的內(nèi)阻的作用是改變通過右容器內(nèi)阻的電壓。
有沒有其他方法可以改變?nèi)萜鲀?nèi)阻兩端的電壓？ 請告訴我。
通過以上五個問題的分析，我們需要知道，在設(shè)計實驗時，首先要知道探索化學(xué)問題的方法有哪些，然后從設(shè)計實驗步驟的方法入手； 實驗后的交流和評價也很重要，是對實驗過程的反思、總結(jié)和延伸。 主要從實驗設(shè)計、實驗過程、實驗數(shù)據(jù)和現(xiàn)象等方面進行必要的交流和評價。
我認為對于化學(xué)實驗，中學(xué)生應(yīng)該尋找一切可以抓住的機會自己做。 在實驗過程中，任性地體驗實驗過程。 只有通過肆意的體驗，才能體會到這些只有通過實驗才能得到的東西，教科書上沒有，老師不一定會提到的東西。 這些驚人的發(fā)現(xiàn)只能通過實驗獲得。
玩樂高不如玩實驗設(shè)備。 這種事情也很有意思。 如果你想做實驗，設(shè)備很容易搞定，不是中學(xué)才有的。如圖
熱學(xué)實驗設(shè)備
關(guān)于焦耳定理的實驗，大家有什么問題需要交流嗎？ 請分享。
實驗過程中有什么感受，歡迎分享。